Kernspin nog steeds onverklaard

Waaraan ontlenen protonen en neutronen hun spin, ofwel hun tolbeweging? Protonen en neutronen zijn de twee bouwstenen van atoomkernen. Volgens de huidige inzichten is elk van die bouwstenen opgebouwd uit drie kleinere deeltjes, quarks geheten. Ook deze deeltjes hebben een tolbeweging. Maar de tolbeweging van het proton en neutron blijkt veel méér te zijn dan alleen de som van die van de quarks. Blijft dus de vraag: waar komt de spin van protonen en neutronen vandaan?

Spin of tolbeweging is een van de karakteristieke eigenschappen van elementaire deeltjes, net zoals massa en elektrische lading. Het is het deel van het totale impulsmoment van een deeltje dat altijd blijft bestaan, zelfs wanneer het deeltje geen beweging meer heeft. Met de spin hangt een magnetisch moment samen. De hoeveelheid spin kan, omdat het om een grootheid uit de quantummechanica gaat, alleen heel specifieke waarden hebben, zoals 1/2, 1, 3/2, 2 enzovoorts.

In 1988 werd op het Europese Laboratorium voor Deeltjesfysica (CERN) in Genève de tolbeweging van quarks gemeten. Dat gebeurde door een groep onderzoekers die de European Muon Collaboration (EMC) werd genoemd. Men beschoot een doelwit van protonen, waarvan de tol-as in één richting was gezet, met muonen waarmee men hetzelfde had gedaan. Muonen zijn deeltjes met dezelfde eigenschappen als elektronen, maar bijna 200 maal zo zwaar. Men kan ze een veel hogere energie geven, waardoor ze diep in het proton kunnen doordringen. Uit de manier waarop de muonen dan door de quarks in het proton worden teruggekaatst en verstrooid, kan men iets over de tolbeweging van die quarks afleiden.

De CERN-onderzoekers ontdekten dat de totale bijdrage van de quark-spins aan de proton-spin heel gering is. Dit betekende dat het overgrote deel van de proton-spin ergens anders vandaan moest komen. In de vakpers verschenen direct artikelen met theorieën die dit onverwachte resultaat probeerden te verklaren. Misschien kwam de tolbeweging van het proton van de baanbeweging van de quarks, of van het impulsmoment van de gluonen (lijmdeeltjes) die de quarks bijeen houden, of van een combinatie. Hoe het ook zij: het proton zat ingewikkelder in elkaar dan men tot nu toe had gedacht.

Voortbouwend op het werk van de EMC-groep werd in 1991 op CERN het Spin Muon Collaboration (SMC) experiment opgezet. Het doel hiervan was om nu ook de tolbeweging te gaan meten van het neutron, de tweede bouwsteen van atoomkernen. Dit heeft echter in vrije toestand zo'n korte levensduur (14 minuten), dat metingen er aan moeilijk zijn. Daarom ging men deuteronen, stabiele waterstofkernen die uit één proton en één neutron bestaan. Het neutron wordt dan gevonden als verschil tussen het deuteron en het proton.

Op 1 april werden de eerste resultaten van de eerste metingen aan het neutron gepubliceerd in Physics Letters B (p. 533). Eén bladzijde van het bescheiden artikel wordt in beslag genomen door de namen van de 158 onderzoekers, uit Europa, Israël, Japan, Rusland en de Verenigde Staten, die aan het experiment hebben deelgenomen. Het Nederlandse team wordt geleid door René van Dantzig van het NIKHEF in Amsterdam.

Uit deze eerste metingen blijkt dat de tolbeweging van het neutron veel méér is dan de som van de quark-tollen. Deze laatste leveren hooguit een fractie van de spin van het neutron. Dit resultaat komt dus overeen met wat men al wist van het proton. Ook het neutron zit ingewikkelder in elkaar dan men dacht. Omdat dit eerste meetresultaat nog een grote onzekerheidsmarge heeft, worden de metingen op het CERN voortgezet. Men zal daarbij tevens de nauwkeurigheid van de metingen aan de tolbeweging van het proton kunnen vergroten.

De CERN-fysici worden overigens op de hielen gezeten door onderzoekers van de universiteit van Stanford (VS), waar een vergelijkbaar experiment wordt verricht. Daar beschiet men helium-3 kernen (die uit twee protonen en één neutron bestaan) met elektronen. Doordat de twee protonen in een tegengestelde richting draaien, heffen hun tolbewegingen elkaar grotendeels op en meet men in feite direct de tolbeweging van het neutron. De eerste meetresultaten worden elk moment verwacht.